石化企业设备噪声控制技术进展*

2022-05-23刘波

安全、健康和环境 2022年5期

刘波

(中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104)

噪声是石化企业主要职业病危害之一，呈现点多、面广、接害人员多的特点，其导致的以听力系统为主的人体多器官系统损伤成为石化企业主要的健康风险。在充分调研石化企业噪声危害现状的基础上，本文综述了石化噪声特征、总结石化企业设备降噪技术现状，同时介绍了部分典型设备噪声治理措施，并对降噪新技术在石化企业噪声治理中的应用进行了展望。

1 石化企业设备噪声特征分析

1.1 石化企业噪声特点

石化企业集油气田开采、炼油化工等为一体，输送及处理的物料形态包括液体、气体及固体，工艺流程中多使用高温高压、大流量的机械设备。按照噪声产生机理分类，存在的主要噪声源有：由于流体流动过程中相互作用产生的流体噪声，如换热器、高压蒸汽放空、锅炉导淋口等产生的噪声；由于物料或设备运动部分摩擦、振动、撞击而产生的机械噪声，如磨煤机、机泵、物料成型、包装及运输等产生的噪声；由于磁场脉动而引起电气部件振动的电磁性噪声，如柴油发电机组及罗茨风机电机等产生的电磁噪声。

石化企业生产环境中，噪声有着高强度、连续性、稳态等特点，一是由于石化企业生产工艺复杂，噪声设备分布广泛，噪声设备多且布置集中，声辐射面大强度高；二是由于石化企业生产具有连续性的特点，噪声也有稳态、连续的特点[1]。

1.2 石化企业典型噪声设备分布

根据现场调查及查阅资料，石化企业典型噪声设备分布见表1。

表1 石化企业典型噪声设备分布情况 dB

2 石化企业噪声控制技术

基于噪声传播机理，噪声控制可以分为从声源上降低噪声、从噪声传播途径降低噪声、对接受者进行防护3种措施，具体采取哪一种或几种方式则应从经济、技术上进行综合考虑，这也是噪声控制的原则。声源降噪及接受者防护更多偏重于低噪声工艺和设备的替代，以及正确的个体听力防护用品选择及佩戴，本文不再展开讨论。

由于技术、经济、工艺方面的原因，目前尚难以从噪声源上完全控制噪声危害，这时需要从传播途径上加以考虑，中石化企业应用最成熟的是以消声、隔声、吸声及隔振等为代表的被动降噪技术。

2.1 消声降噪

消声技术是指采用消声设备使噪声强度减弱的技术，消声设备是一种允许气流通过而同时使噪声减弱的装置，是在噪声控制工程中应用广泛的一种降噪措施[2]。消声器一般应用于气流和噪声同时存在的各种传输管道中，通过突变截面引起声反射以及声阻抗变化或者利用具有吸声性能的内衬吸声材料进行消声[3]。消声器按其消声原理及结构，可分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器等。

章奎生等[4]针对大排风量低频排风机，充分考虑防水耐湿的要求，通过设计阻抗复合式排气消声器，以阻性降低中频为主的宽带噪声，以共振性降低低频峰值噪声，综合共振腔与吸声环结构，消声量为15～20 dB，达到预期降噪要求。

赵传辉等[5]通过研究阻性阵列式消声器应用于冷却塔降噪，探索了阻性阵列式消声器几何结构对消声性能、阻力特性及对冷却塔循环水温的影响，总结出阻性阵列式消声器在保证热力性能前提下，满足冷却塔的降噪要求。

2.2 隔声降噪

隔声技术就是利用隔声材料来阻碍噪声的传播，使通过材料后噪声能量减小的技术，常见的隔声措施有隔声屏障与围挡、隔声幕帘、隔声罩。石化企业对高噪声设备的传统隔声降噪技术，多是针对设备频谱特征，组合不同隔声材料设计，采用隔声罩形式有针对性降噪。随着信息化技术的发展，现阶段多结合ANASYS、SYSNOISE、Insul等软件，深化设计隔声罩表面、结构等重点参数，并对隔声性能进行数值模拟，为隔声罩的优化设计提供新参考。

曹泽仁等[6]使用了轻型装卸式隔声罩设计对空压机进行了噪声治理。隔声罩内表面吸声材料选择了超细玻璃棉、空气层、阻尼层及钢板，并对缝隙加强密封处理，控制缝隙率在1%以下，进排风口加装消声器，实际隔声量为20.5 dB。付常佳、陈长征等[7]以隔声罩为研究对象，通过SYSNOISE软件建立有限元模型并分析厚度、阻尼层等关键参数对隔声罩降噪效果的影响，为解决实际问题提供参考依据。刘欢等[8]人通过隔声量公式计算声级隔声量和频带隔声量等参数，综合考虑工程实际存在的噪声混响和二次噪声等因素，使用ANASYS分析隔声罩的降噪性能，综合分析隔声罩的降噪性能。

2.3 吸声降噪

吸声技术就是通过吸声材料，消耗接触到物体表面的声音能量，使噪声能量减少的技术。吸声材料在降噪措施中主要用来降低声波反射产生的混响[9]。吸声材料根据原理及结构主要分为多孔吸声材料和共振吸声结构两大类型。多孔吸声材料多应用在中高频噪声降噪中，在低频段吸声性能较差。共振吸声结构则可通过共振结构设计，用于低频段噪声降噪，但存在吸声频带范围较窄的不足[10]。

吸声材料及结构在石化设备降噪中主要应用在高噪声设备厂房内部吸声体、消声层、消声器中，常常与隔声材料共同使用，作为综合降噪手段的一个重要组成部分。

杨磊等[11]针对原油集中处理站内压缩机房及注水泵房高噪声环境，选用了固化离心玻璃棉芯板、外敷PVC涂层织物的吸声体，通过设计厂房内部悬挂位置及数量，将厂房室内混响时间由13 s降低到0.8 s。

彭罡等[12]在压缩机厂房的设计中，采用了新型外墙材料，并把风机与压缩机组隔离，单独在厂房两角布置全封闭风机房，以减少风机与压缩机混响噪声；外墙采用了15%穿孔率的铝孔板，内部吸声材料为降噪系数超0.95超细玻璃纤维，辅助阻尼胶及钢板，该控制措施综合降噪量可达到25 dB左右。

龚凡等[13]利用声学理论，建立了双层阻抗复合吸声结构的声学设计和优化方法，并在某地下电站厂房降噪实践，通过MATLAB数值计算软件求解内外层吸声材料密度、穿孔板厚度、孔径等复合函数最优解，实现了250～4 000 Hz的宽频带降噪。

2.4 减振降噪

减振降噪是指通过振动控制，限制系统的振动水平，从而降低噪声传播的降噪技术，其主要措施是在设备基础上安装隔振器材或隔振材料，使设备和基础之间的刚性连轴变成弹性支撑，防止或减弱振动能量的传播，从而实现减振降噪的目的。振动的控制方法是将需要隔离的仪器或设备安装在隔振器材上，使大部分振动被隔振器材所吸收。减振控制具有结构简单、易于维护及经济性好等优点，但也存在着宽频减振必须提高系统质量，阻尼材料对外部温度环境和频率较为敏感，及有效吸振频带范围较窄且不可调节等不足。

石化企业设备多涉及大型设备，采取的减振措施为被动阻尼减振、振动隔振和动力吸振3种主要技术手段。袁丽等[14]人经过计算预压载荷、固有频率等关键参数，采用双层减振体系，对离心风机加装阻尼弹簧减振器，减振效率可达到85%，满足减振器的设计条件。

3 石化企业重点噪声设备降噪措施

经过资料收集与统计，综合油气田开采、炼化及销售等各个业务板块，石化装置中比较典型的高噪声设备有泵、发电机组、压缩机、磨煤机等，其中压缩机和磨煤机是石化工艺生产中常见的强度较大的噪声设备，岗位作业人员接触频次较高，暴露程度较重。

3.1 压缩机

压缩机是石化企业物料集输过程增压的核心设备，在石油化工行业中主要用于物料输送、气体分离等环节，其噪声部位主要为产生空气动力性噪声的进、出气口，产生机械噪声的结构件，以及产生电磁噪声的驱动机。

针对离心压缩机机械噪声和气动噪声问题，谭龙龙等[15]人联合频谱分析、声成像分析和模态分析3种方法，在空间上定位了主要噪声源分布为排气管口、进气管口、齿轮箱，通过整体加装吸隔声罩降低机械噪声，在进排风口加装阻抗复合型消声器降低空气动力性噪声等综合降噪措施，达到了降噪量21.5 dB的效果。

天然气压缩机噪声主要由天然气压缩至高压后产生的动力性噪声、发动机及压缩机运行时活塞柱塞往复运动产生的脉冲机械性噪声以及管道振动噪声，针对气动性噪声问题，邹丽蓉等[16]人通过对天然气压缩机空冷区进排风口加装消声器等降噪措施，降噪量达20.1 dB。

3.2 磨煤机

磨煤机是将煤块破碎并磨成煤粉的机械，其噪声是由机械性噪声、机械啮合噪声、电机噪声和排风噪声构成。磨煤机的治理措施主要有两种途径，一是振动源与噪声源控制，如加装橡胶、磁性等衬板，优化衬板结构，使用非球形研磨介质等，不同的降噪量在8～25 dB之间，是一种从根本上解决磨煤机振动与噪声的有效途径，但也存在着单一的结构改进措施降噪量有限的不足，垫层易引入额外共振等问题限制工程应用；二是传播途径控制，如隔声屏、隔声罩和隔声间、阻尼包裹、隔声帘幕等，不同措施的降噪量在15～40 dB之间，具有中高频降噪效果明显、应用成熟等优点，但也存在低频降噪效果差、不利于散热及日常检修不便等不足。目前我国对磨煤机的噪声控制主要通过减振和降噪技术在噪声传播途径上控制，如采用隔声罩和隔声间等[17]。

在振动源与噪声源控制方面，成鹏[17]在传统数值理论计算方法基础上，对磨煤机弹性垫层改进后的筒体进行有限元软件分析，研究复合弹性垫层在球磨机减振与降噪技术中应用的可行性。

针对电机噪声，刘欢等[8]人以磨煤机的电动机和减速器为研究对象，提出了在电动机外安装隔声罩的降噪方案，并采用ANASYS有限元软件模拟分析效果，并对降噪效果不足区域改进优化设计修正，为解决实际工程问题提供了思路参考。

牛庆堂等[18]人测量煤磨机的噪声强度和频谱数据，对照各种材料的隔声吸声指数，通过选择隔声吸声材料，设计建成可拆卸的方形局部式隔声罩。隔声罩面板由波浪型穿孔板、隔声板、吸声材料、隔声网、玻璃丝布、阻尼漆、油漆等复合而成，实际综合降噪量达到15～18 dB。

4 降噪技术展望

随着噪声产生与传播机理研究的深入，石化设备降噪技术的研究已不再局限单一技术应用，而是广泛利用各种新技术和新材料的噪声综合治理技术。开发吸隔声性能优异且工程应用广泛的新材料，克服低频降噪材料厚度难题的新技术新手段，都是降噪技术的研究热门。

4.1 声学超构材料研发

声学超构材料[19]作为一种新型的人工结构材料，拥有天然材料所不具备的超常物理特性，进一步拓展了材料的声学属性。同时，声学超构材料可以实现对声波精准的、可设计的操控，具有重要的理论研究意义和应用价值。

从吸声、隔声、减振、抗冲击等实际应用功能出发，也可将声学超构材料分为吸声超构材料和隔声超构材料2类[20]。近几年来，吸声超构材料主要的研究方向是在较小体积下，通过声学结构设计，实现较宽频率范围内的高效吸声。Li[21]提出了一种轻质多层蜂窝膜型声学超材料，并对其传输损耗进行了实验研究。结果表明，轻质蜂窝夹芯板在重量极轻的情况下平均声传输损耗可达17 dB。但现阶段大多数吸声超构材料仍存在结构尺寸、声学性能、成本和耐久性的限制，仍然不适合在石化企业内部大面积工程应用，需要新的设计和制造技术来达到性能与成本的平衡。

隔声超构材料主要研究方向则是高刚度、轻量化、良好宽频隔声性能，其中薄膜型超构材料因为具备轻量化、低频隔声性能好等潜能而引人关注。Sui等[22]人将蜂窝结构与不含质量块的薄膜结合，设计了一种蜂窝型声学超材料，对500 Hz以下声波的传递损耗均超过25 dB，同时，面密度仅1.3 kg/m2。相比传统阻尼降噪材料，其降噪性能优异、设备轻量化，更适合设备管线密集、散热降噪空间紧促的石化企业装置，应用前景广阔。

4.2 主动降噪技术

处理降低低频噪声问题时，传统吸隔声材料由于受质量定律制约，面临着频段较窄，整体装备体积庞大且笨重的现状，而有源噪声控制(Active Noise Control，ANC，也被称为主动噪声控制)技术给出了一种新的解决办法，即根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理，通过抵消声源产生与被抵消声源的声波大小相等但相位相反的声波，两声波叠加后辐射相互抵消，从而达到降低噪声的目的。现阶段因复杂环境声场的复杂性，有源噪声控制技术在三维自由声场中的声场分析及算法的实现较为困难，现阶段比较成熟的应用为管道噪声的有源控制。

安伟等[23]人针对广泛存在的管道稳态噪声，引入分频混频技术的有源噪声控制系统，根据实际消声频带要求设计分频带，扩大了消声频带宽度，达到了单频声降噪量25～30 dB，对某通风管道宽带噪声实际应用取得了11.3 dB的降噪量。目前随着芯片小型化及深度学习、神经网络等AI技术的发展，有源降噪技术也在本地化部署及自适应算法实现等方面取得一定的突破[24,25]，期望这一轻量化、智能化的降噪技术能克服现有功耗大、效率低、设备维护困难等不足，早日在石化设备降噪中发挥作用。